基于數(shù)字孿生的既有鋼廠三維地圖呈現(xiàn)應(yīng)用實(shí)踐

摘 "要：隨著工業(yè)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)逐步進(jìn)入智能化階段。然而，大多數(shù)既有鋼廠使用的傳統(tǒng)二維地圖缺少配套地圖管理平臺(tái)，缺乏地圖信息迭代功能，造成工廠生產(chǎn)效率低，安全隱患大等缺陷。因此，該文基于數(shù)字孿生技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)等，構(gòu)建全廠區(qū)三維地理信息模型、采集數(shù)據(jù)及整合各個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)展現(xiàn)全廠區(qū)內(nèi)各分廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控畫面能源消耗、物流等信息，實(shí)現(xiàn)可視化聯(lián)動(dòng)，打造鋼廠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)底座，賦能鋼廠實(shí)現(xiàn)全面智能制造。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；三維地圖；大數(shù)據(jù)分析；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TF089 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2025）10-0181-04

Abstract： With the development of industrial digitalization and networking， the production of the steel industry has gradually entered the intelligent stage. However， the traditional two-dimensional maps used by most existing steel mills lack supporting map management platforms and map information iteration functions， which leads to low factory production efficiency and great safety hazards. Therefore， based on digital twin technology， Internet of Things technology， and UAV oblique photography technology， this paper constructs a three-dimensional geographic information model of the entire plant， collects data and integrates data information from each independent system， and displays the production data of each branch in the entire plant in real time， video surveillance screen energy consumption， logistics and other information， realizes visual linkage， creates a basic data base for steel plants， and enables steel plants to achieve comprehensive intelligent manufacturing.

Keywords： digital twins; industrial Internet; three-dimensional map; big data analysis; Internet of Things technology

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”工作的穩(wěn)步進(jìn)行，鋼廠的新建步伐逐漸放緩，既有鋼廠數(shù)量眾多、產(chǎn)能接近飽滿，改造升級(jí)也在持續(xù)加速中[1]。我國既有鋼廠因建立時(shí)間早從而有設(shè)計(jì)資料保存不完善、資料存在缺失、管理方式傳統(tǒng)、信息化覆蓋不全面等不足，因此基于數(shù)字孿生的三維鋼廠模型將成為主流。

鋼廠在傳統(tǒng)模式下，鋼廠內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)和技術(shù)是獨(dú)立的，目前既有鋼廠的電子地圖系統(tǒng)均基于二維地圖，無法真實(shí)還原位置信息和地圖空間信息，無法有效地滿足對(duì)重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)場所、重點(diǎn)建筑的三維數(shù)字應(yīng)用條件。同時(shí)，缺少配套地圖管理平臺(tái)，缺乏地圖信息迭代、鋼廠信息更新維護(hù)、保證地圖時(shí)效性等功能，大部分業(yè)務(wù)系統(tǒng)地圖能力與業(yè)務(wù)應(yīng)用的深度結(jié)合有待進(jìn)一步提高。

因此，本文以某鋼鐵集團(tuán)為研究對(duì)象，基于數(shù)字孿生技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)等，依托Unreal Engine（UE）引擎進(jìn)行構(gòu)建，以智能化和數(shù)字化解決方案為主攻方向，對(duì)既有鋼廠的全廠區(qū)范圍實(shí)現(xiàn)精益化、精細(xì)化、智能化管理，著力推動(dòng)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

1 "基于數(shù)字孿生的既有鋼廠三維地圖研究背景和需求分析

1.1 "研究背景

以某鋼鐵集團(tuán)鋼廠為例，創(chuàng)建全廠區(qū)三維可視化平臺(tái)，助力企業(yè)加快推進(jìn)數(shù)字化建設(shè)，通過對(duì)鋼廠全廠區(qū)數(shù)字化項(xiàng)目各功能的分解及功能架構(gòu)的設(shè)計(jì)，能更高效、迅速、有序地推進(jìn)鋼廠全廠區(qū)數(shù)字化項(xiàng)目的建設(shè)實(shí)施。本次項(xiàng)目符合全面貫徹國家工業(yè)化與信息化“兩化”融合發(fā)展政策，以智能制造增強(qiáng)企業(yè)的核心競爭力為中心，加快企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展步伐，為該鋼廠全面數(shù)字化打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)全廠區(qū)的可視、可管，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化廠區(qū)一體管控平臺(tái)的建設(shè)。

1.2 "需求分析

本項(xiàng)目面向廠外參觀人員、職工、管理人員，為了將公司地圖、廠區(qū)信息、分廠各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、廠區(qū)內(nèi)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與三維模型相結(jié)合，帶給用戶更加沉浸式的體驗(yàn)，打造更加直觀、高效、精細(xì)化和精準(zhǔn)化的廠區(qū)管理模式，最終形成智能、高效、聯(lián)動(dòng)的全方位監(jiān)控指揮系統(tǒng)。

1.2.1 "三維地圖展示需求概述

首先提供廠區(qū)范圍內(nèi)的三維模型，包括某鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)基地正門、鋼絲繩廠、高線廠、焦化廠、原料場及廠區(qū)道路、監(jiān)控等地物模型，將建筑信息與模型進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，可查看建筑的外觀、名稱、建設(shè)日期和建設(shè)用途等。

1.2.2 "鋼廠數(shù)據(jù)管理需求概述

隨著廠區(qū)的不斷建設(shè)，各類建筑、道路、監(jiān)控等信息發(fā)生變化，缺乏可實(shí)時(shí)反饋的有效的統(tǒng)一管理。為實(shí)現(xiàn)廠區(qū)數(shù)據(jù)感知、展示、管理和決策的閉環(huán)管理，需要充分利用現(xiàn)有各類傳感器的全息數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)等，其數(shù)據(jù)管理框架如圖1所示。將所有數(shù)據(jù)信息采集到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，形成可視化報(bào)表進(jìn)行展示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的增刪改查等操作。系統(tǒng)還應(yīng)擁有物流態(tài)勢分析、人車物定位軌跡、生產(chǎn)事件管理等核心功能。

2 "關(guān)鍵技術(shù)

2.1 "無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

2.1.1 "工作原理

傳統(tǒng)的使用3d MAX等建模軟件所構(gòu)建的三維模型，大多需要人工手動(dòng)進(jìn)行建模，而傾斜攝影模型是使用無人機(jī)對(duì)實(shí)際物體從前、后、左、右、上5個(gè)不同方向進(jìn)行高精度照片拍攝，通過高效專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程自動(dòng)生成的地物模型，改善了傳統(tǒng)軟件建模高度依賴人工、數(shù)據(jù)精度低等缺點(diǎn)，能夠在短時(shí)間、低人工消耗的前提下輕松為待采樣地物、建筑等進(jìn)行建模[2]，其路線流程圖如圖 2所示。

2.1.2 "工作參數(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的工作參數(shù)由布局關(guān)鍵點(diǎn)及航線和設(shè)備參數(shù)組成。

布局關(guān)鍵點(diǎn)是無人機(jī)傾斜攝影業(yè)內(nèi)影像解析和建模的基礎(chǔ)，可用于糾正因定位受限或電磁干擾而產(chǎn)生的位置偏移或精度不足，以及氣壓計(jì)引起的高差問題。

圖2 "無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)路線

其次是航線和設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括地面分辨率、航行高度和像片重疊度等。地面分辨率是指每毫米所能辨別的黑白相隔的線對(duì)數(shù)，以像元的大小來表示。航行高度由相機(jī)參數(shù)和地面分辨率所決定，其飛行高度計(jì)算由式（1）表示

H=■ ， （1）

式中：H為飛行高度，單位為m；f為鏡頭焦距，單位為mm；GSD為鋼廠地面分辨率，單位為m；α是像元尺寸，單位為mm。

像片重疊度由航向重疊度和旁向重疊度組成。其重疊度計(jì)算如式（2）所示

式中：pX，qY分別為航向重疊度和旁向重疊度，%；p′X，q′Y分別為航向和旁向標(biāo)準(zhǔn)重疊度，%；Δh為鏡頭基準(zhǔn)面的高差，單位為m；H為攝像航高，單位為m。

最后確定航高和重疊度后，可計(jì)算航線距離，其航線距離如式（3）所示

式中：Sx為飛行距離，單位為m；qY為旁向重疊度；Ki為絕對(duì)航高，單位為m；Ji為最高點(diǎn)高程，單位為m；b為鏡頭焦距，單位為mm；m為底片寬度，單位為mm。

2.2 "數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是指利用數(shù)字技術(shù)對(duì)物理實(shí)體對(duì)象的特征、行為、形成過程和性能等進(jìn)行描述和建模的過程和方法，在虛擬空間構(gòu)建物理實(shí)體對(duì)象，采用建模和仿真分析等手段，實(shí)現(xiàn)物理空間和虛擬空間的深度數(shù)據(jù)信息融合，通過數(shù)字孿生進(jìn)行數(shù)據(jù)感知、智能分析與決策，從而實(shí)施控制實(shí)物的狀態(tài)和行為[3]，其系統(tǒng)模型如圖 3所示。

基于鋼廠現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)，通過構(gòu)建數(shù)字鋼廠基礎(chǔ)信息系統(tǒng)，對(duì)地理信息數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、人車物定位數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)一管理綜合信息后，采用NURBS曲面重建技術(shù)，生成與實(shí)際物體對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)體，并組合這些虛擬實(shí)體以構(gòu)建三維鋼廠場景模型[4]，NURBS曲面有理分式如式（4）所示

式中：P為控制頂點(diǎn)；W為權(quán)因子；參數(shù)i和j的取值范圍分別為[0，n）和[0，m）；N分別為u向k次B樣條基函數(shù)和v向l次B樣條基函數(shù)。

3 "系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 "三維可視化平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

全廠區(qū)三維可視化平臺(tái)首先基于三維模型進(jìn)行拓展，對(duì)于既有鋼廠地圖的三維呈現(xiàn)多采用逆向建模的方式，通過傾斜攝影、無人機(jī)飛掃的方式進(jìn)行，直觀還原廠區(qū)內(nèi)受關(guān)注區(qū)域的地理信息空間[5]，其平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)如圖 4所示。

通過Unreal Engine（UE）引擎進(jìn)行構(gòu)建，利用UE引擎實(shí)現(xiàn)3D建模、實(shí)時(shí)渲染和交互控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象的精準(zhǔn)映射和實(shí)時(shí)監(jiān)控，并采用C/S架構(gòu)方式進(jìn)行便捷化一鍵部署。為了使來自分布式節(jié)點(diǎn)的各地圖服務(wù)可以相互疊加，必須采用統(tǒng)一的金字塔分層規(guī)則，各層的顯示比例固定，顯示比例計(jì)算方法如式（5）所示

式中：p為地面顯示比例；g為地面分辨率；s為屏幕分辨率；a為地圖分辨率；d為緯度；r為地球長半徑；x為像素；Level表示比例尺的級(jí)別，最小為0；屏幕分辨率取值為96 dpi（每英寸點(diǎn)數(shù)）。

3.2 "三維地圖展示系統(tǒng)

三維地圖展示作為首先要呈現(xiàn)在用戶面前的功能，承擔(dān)了系統(tǒng)的交互行為，能夠真實(shí)有效地在系統(tǒng)內(nèi)表達(dá)廠內(nèi)資產(chǎn)的各項(xiàng)幾何信息，其系統(tǒng)框架圖如圖5所示。

其中廠區(qū)概覽模塊是系統(tǒng)的核心功能，既包括公司簡介及產(chǎn)品、廠區(qū)基本信息及企業(yè)榮譽(yù)等展示，還包括地物模型展示。地物模型分為自動(dòng)漫游和地圖模式，可對(duì)廠區(qū)內(nèi)各建筑、道路、設(shè)備等進(jìn)行單體化操作，使其變成可單獨(dú)管理展示的模型，可進(jìn)行相關(guān)信息實(shí)時(shí)展示。自動(dòng)漫游模式中提供自動(dòng)游覽功能，可以按照規(guī)定路線直觀地查看廠區(qū)生產(chǎn)運(yùn)行情況、能耗情況等信息。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)模塊具有分廠選擇功能，通過讀取生產(chǎn)控制系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)展示生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合訂單信息、質(zhì)量檢測信息及產(chǎn)量信息，生成生產(chǎn)訂單一張圖，形成閉環(huán)管理，直接生成生產(chǎn)相關(guān)圖表，降低管理難度。通過多維數(shù)據(jù)融合，將廠區(qū)內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)如生產(chǎn)信息、設(shè)備信息等以O(shè)PC、MODBUS等協(xié)議接入并以標(biāo)簽形式疊加至數(shù)字孿生場景之上，接入異常事件數(shù)據(jù)，聯(lián)合生產(chǎn)、設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)警，構(gòu)建數(shù)字孿生智能產(chǎn)線。

智慧安全模塊通過接入廠區(qū)各門禁閘機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)展示人和車輛的出入記錄，實(shí)現(xiàn)各類自動(dòng)檢測報(bào)警，包括行人闖入、車輛闖入、異常車輛等。同時(shí)檢測門禁閘機(jī)設(shè)備的運(yùn)行情況。

通過可視化分區(qū)查看該區(qū)域監(jiān)控列表。同時(shí)配有顯示監(jiān)控點(diǎn)位置的廠區(qū)簡易小地圖，通過點(diǎn)擊監(jiān)控點(diǎn)可查看該監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面。另針對(duì)重點(diǎn)監(jiān)管位置的監(jiān)控畫面做實(shí)時(shí)展示，可隨時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，避免事故發(fā)生。

通過三維地圖展示實(shí)現(xiàn)全程真實(shí)作業(yè)情況的實(shí)時(shí)同步監(jiān)控，形成集中、統(tǒng)一的管理視角，實(shí)現(xiàn)了三維模型與現(xiàn)實(shí)的融合顯示，方便管理者從全局視角進(jìn)行決策和操作。

3.3 "數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理系統(tǒng)

在前端感知系統(tǒng)及生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中接入數(shù)據(jù)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)源管理，構(gòu)架數(shù)字倉庫，確保數(shù)據(jù)在信息空間中的準(zhǔn)確性與完整性，完成實(shí)際物理系統(tǒng)到數(shù)字空間的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

通過數(shù)據(jù)接入，將重點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和意義挖掘，生成同一模式的變化趨勢圖表。系統(tǒng)對(duì)全廠或重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、能耗情況、環(huán)保數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)等直觀查看，具備趨勢變化分析和故障報(bào)警能力，形成智能、高效、聯(lián)動(dòng)的全方位監(jiān)控指揮系統(tǒng)，為工廠的決策提供有力的依據(jù)，其數(shù)據(jù)系統(tǒng)框架圖如圖6所示。

圖6 "數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理系統(tǒng)框架

3.4 "基于數(shù)字孿生的既有鋼廠三維地圖系統(tǒng)的應(yīng)用意義

全廠區(qū)三維可視化平臺(tái)建設(shè)以來，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了虛擬世界對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字孿生，極大強(qiáng)化現(xiàn)有管理系統(tǒng)的功能，目前取得了如下成果。

3.4.1 "提升了管理手段

全廠區(qū)三維可視化平臺(tái)能有效推進(jìn)企業(yè)的精細(xì)化管理，從宏觀、實(shí)時(shí)、高效的管理視角，為管理者提供了點(diǎn)、面結(jié)合的支撐能力，既可以縱覽全局，從廣度上概覽整體情況，又可以聚焦細(xì)節(jié)，從深度上把控具體落地。

3.4.2 "提高了生產(chǎn)效率

全廠區(qū)三維可視化平臺(tái)能實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和瓶頸，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

3.4.3 "提高了人員安全系數(shù)

全廠區(qū)三維可視化平臺(tái)通過對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、閘機(jī)、門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)介入后進(jìn)行統(tǒng)一分析處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)人員異常，并發(fā)出報(bào)警，及時(shí)對(duì)異常行為進(jìn)行處理，從而避免人員異常狀況帶來的安全隱患。

3.4.4 "降低了風(fēng)險(xiǎn)成本

全廠區(qū)三維可視化平臺(tái)通過監(jiān)測及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患，盡早解決可能發(fā)生的故障；通過安全仿真和模擬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證和優(yōu)化生產(chǎn)過程，從而減少原材料浪費(fèi)和能源消耗，提高設(shè)備資產(chǎn)的利用率。

4 "結(jié)束語

基于數(shù)字孿生的既有鋼廠三維地圖，以信息物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，整合先進(jìn)感知、計(jì)算、通信、控制和自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備、物品、環(huán)境和信息之間的相互映射、實(shí)時(shí)互動(dòng)和高效協(xié)作。從長期來看，全廠區(qū)三維地圖的建設(shè)能促進(jìn)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新發(fā)展，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化、可管性和可控性。

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